2019/09/04

Teleco in a nutshell v6.0: Espectro radioeléctrico

Por el 2019/09/04 con 0 comentarios
Volvemos con un post sobre algo de lo que hemos oído hablar mucho, sobre todo en esos momentos en los que te obligan a cambiar el receptor o sintonizador de la tele: el espectro radioeléctrico y las bandas de frecuencia. 

Introducimos en artículos anteriores lo que en telecomunicaciones se conoce como onda y lo que es el espectro de frecuencias de una señal, así que os animo a echarles un ojo para entender mejor los conceptos que vamos a tratar. 

Empecemos desde el principio. ¿Qué es el espectro electromagnético? Son los rangos de frecuencias o longitudes de onda, que ya vimos que son inversamente proporcionales, de los diferentes tipos de radiación electromagnética, es decir, de las ondas generadas por campos eléctricos y magnéticos oscilantes que propagan energía en el vacío a la velocidad de la luz. Se pueden dividir en siete tipos, de mayor a menor frecuencia: rayos gamma, rayos X, ultravioleta, luz visible, infrarrojo, microondas y ondas de radio. Si estáis interesados en los tipos de radiación que existen y sus usos, la NASA dispone de unos cuantos recursos.
Espectro electromagnético. [Wikimedia Commons]

El espectro radioeléctrico simplemente es el subconjunto de las bandas de frecuencia de las ondas de radio, que pueden usarse para transportar información: entre 8,3 kHz y 3000 GHz. Por lo tanto, se considera un recurso natural limitado, lo que supone un gran problema para las telecomunicaciones, debido principalmente a las interferencias. Es por eso que es necesario regular su uso a nivel mundial, y en cada país, por organismos como la ITU/UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones). Si queremos conocer en detalle el uso de las bandas de frecuencias en España, debemos consultar el CNAF (Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias). En general, veréis que para simplificar se usa una nomenclatura, que podéis consultar aquí, que asocia un nombre a cada intervalo de frecuencias. Las bandas superiores a los 275 GHz no están atribuidas a día de hoy, pero se usan por algunos servicios pasivos, como la radioastronomía. Si os interesa posibles usos y futuras atribuciones en estas bandas, podéis consultar este informe de la ITU. 

Dentro del espectro radioeléctrico algunas bandas presentan mayores ventajas o desventajas a la hora de transportar la información dependiendo de varios factores, siendo uno de ellos el uso que se quiera hacer del enlace en cuestión. Vamos a dar un repaso a los principales factores a tener en cuenta.

La atenuación es la pérdida de potencia de la señal a medida que se propaga por el medio. Como la mayoría de las comunicaciones son terrestres o Tierra-Espacio, tenemos que tener en cuenta ciertas características de nuestro planeta que facilitan o dificultan las comunicaciones. En nuestra atmósfera por ejemplo, la mayor atenuación se produce por el fenómeno conocido como absorción atmosférica: las partículas en suspensión de la atmósfera, y en particular las de agua y oxígeno, absorben energía de las ondas en una mayor o menor medida en función de su frecuencia. Es por esto que obviamente interesa utilizar aquellas bandas que sufren menor atenuación, conocidas en telecomunicaciones como ventanas de transmisión, ya que se producen menores pérdidas de trayecto y por lo tanto la distancia del enlace será mayor y/o la potencia necesaria menor. Además, existen otros fenómenos metereológicos, como la lluvia o la nieve, que también producen atenuación o desvanecimiento de la señal, y que en general afectan también en mayor medida a las frecuencias más altas (a partir de 10 GHz aprox.).

La atenuación por absorción atmosférica en función de la frecuencia. [Wikimedia Commons]

La propagación de las ondas electromagnéticas es otro factor a tener en cuenta. A causa de los efectos ópticos (refracción, reflexión, difracción, etc) y de las características de los medios, las ondas se propagan de distinta forma sobre la superficie terrestre, y a través de la atmósfera, en función de su frecuencia. Dependiendo del uso que se quiera hacer de las comunicaciones, algunas longitudes de onda serán más útiles que otras por su modelo de propagación. Por ejemplo, a frecuencias muy bajas, y longitudes de onda largas, las ondas pueden recorrer grandes distancias sorteando grandes obstáculos (como montañas) debido al fenómeno de difracción. Son las llamadas ondas de superficie, cuyas frecuencias óptimas pertenecen a las bandas LF y MF. Actualmente, se suelen usar para comunicaciones marítimas, comunicaciones militares, radionavegación y difusión de señales horarias. A frecuencias un poco más altas (pero no mucho), las ondas también pueden recorrer grandes distancias por fenómenos de refracción y reflexión en las capas de la ionosfera. Se conoce como propagación ionosférica, y las frecuencias que mejor se reflejan son las de la banda HF. A frecuencias más altas, a partir de 30 MHz aproximadamente, las ondas no se benefician de estos fenómenos, y se propagan de forma directa o indirecta, pero siempre entre dos antenas enfrentadas con línea de visión. Por lo tanto, para comunicaciones terrestres la distancia viene limitada, entre otras cosas, por la propia curvatura de la Tierra. Pueden existir obstáculos medianos o pequeños de por medio, como nubes, edificios o paredes, porque las ondas, dependiendo de su longitud de onda y de las propiedades del material, pueden llegar a penetrarlos o a sortearlos, pero provocando a menudo lo que se conoce como propagación multitrayecto. En general, a mayor frecuencia, menor alcance y mayores pérdidas por obstrucciones.

Propagación por onda corta para grandes distancias. La distancia puede depender del momento del día y de la estación del año, ya que depende de la densidad de electrones libres en las diferentes capas de la ionosfera, por lo que no ofrece mucha fiabilidad. Se usa principalmente por radioaficionados, para radiodifusión de onda corta y comunicaciones aeronáuticas. [Wikipedia]

Existen muchos otros factores que entran en juego a la hora de hacer el balance: coste y tamaño de los equipos y de la infraestructura de telecomunicación, máximos niveles de interferencia admisible (algunas bandas están más saturadas que otras), capacidad y ancho de banda disponible (en general a mayores frecuencias se utilizan mayores anchos de banda), etc. Además, hay que tener en cuenta que algunas frecuencias son fundamentales para la investigación científica, por lo que están protegidas. Por ejemplo, en radioastronomía se estudian señales cósmicas que se reciben en la Tierra de forma muy débil, por lo que es necesario garantizar bajos niveles de interferencia en esas frecuencias específicas. 

Teniendo en cuenta todos estos factores, es fácil darse cuenta de que existe un verdadero problema en lo que se refiere a la compartición del espectro, ya que existen frecuencias más solicitadas que otras. Sin embargo, los avances tecnológicos permiten cada vez más contrarrestar desventajas inherentes a ciertas bandas, y aumentar la eficiencia espectral de los canales para usar el mínimo ancho de banda imprescindible.

Continuaremos hablando del espectro en otro artículo, haciendo un repaso a las bandas de frecuencia de WiFi, Bluetooth y comunicaciones móviles. Mientras tanto, seguiremos introduciendo conceptos básicos como la conversión analógica-digital y las modulaciones (fundamental para el análisis de señales).

¡Hasta luego!

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